探索ADC12130/ADC12132/ADC12138：高性能12位A/D轉換器的技術剖析

在電子設計領域，模擬 - 數(shù)字轉換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關鍵橋梁。德州儀器（TI）的ADC12130、ADC12132和ADC12138 12位帶符號自校準串行I/O A/D轉換器，憑借其出色的性能和豐富的功能，在眾多應用場景中得到廣泛應用。今天，我們就來深入剖析這一系列轉換器的特點、應用及設計要點。

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一、產(chǎn)品概述

ADC12130、ADC12132和ADC12138是12位帶符號逐次逼近型A/D轉換器，具備串行I/O接口和可配置的輸入多路復用器。其中，ADC12132有2通道多路復用器，ADC12138有8通道多路復用器，而ADC12130則是2通道多路復用器且多路復用器輸出和ADC輸入內(nèi)部連接。該系列轉換器支持多種模式，如單端、差分或偽差分模式，可適應不同的應用需求。

二、關鍵特性

2.1 串行I/O兼容性

支持MICROWIRE、SPI和QSPI協(xié)議，方便與各種微控制器和數(shù)字信號處理器進行通信。

2.2 自校準功能

轉換器可進行自校準，將線性度、零位和滿量程誤差調(diào)整到通常小于±1 LSB，無需額外的零位或滿量程調(diào)整。

2.3 可編程特性

具備可編程的采集時間、可變的數(shù)字輸出字長和格式，可根據(jù)具體應用進行靈活配置。

2.4 低功耗模式

支持掉電模式，有效降低功耗，延長電池供電設備的續(xù)航時間。

三、應用領域

該系列轉換器適用于多種應用場景，如筆式計算機、數(shù)字化儀和全球定位系統(tǒng)等，為這些設備提供高精度的模擬信號數(shù)字化解決方案。

四、關鍵規(guī)格參數(shù)

4.1 分辨率與轉換時間

分辨率為12位帶符號，12位帶符號轉換時間最大為8.8 μs，吞吐量時間最大為14 μs。

4.2 線性誤差

積分線性誤差最大為±2 LSB，確保轉換結果的準確性。

4.3 電源與功耗

支持3.3V或5V單電源供電，功耗低。如在+3.3V供電時，最大功耗為15 mW，掉電模式下典型功耗為40 μW。

五、引腳描述

轉換器的引腳功能豐富，涵蓋了模擬輸入、數(shù)字輸入輸出、時鐘和控制信號等。以下是部分關鍵引腳的功能：

5.1 模擬輸入引腳（CHO - CH7、COM）

用于連接模擬信號源，通過DI引腳的地址信息選擇輸入通道。

5.2 多路復用器輸出引腳（MUXOUT1、MUXOUT2）

多路復用器的輸出，通常連接到ADC輸入引腳（A/DIN1、A/DIN2）。

5.3 數(shù)據(jù)輸出引腳（DO）

輸出轉換結果和轉換器狀態(tài)數(shù)據(jù)，在CS為低電平時為有效推挽輸出。

5.4 串行數(shù)據(jù)輸入引腳（DI）

用于輸入配置數(shù)據(jù)，在SCLK上升沿將數(shù)據(jù)移入多路復用器地址和模式選擇寄存器。

5.5 轉換控制引腳（CONV）

低電平時可對轉換器進行模式編程或配置更改，高電平時進入只讀數(shù)據(jù)模式。

六、電氣特性

6.1 靜態(tài)特性

包括分辨率、積分線性誤差、差分非線性、滿量程誤差和偏移誤差等，自校準后各項誤差指標均能滿足高精度應用需求。

6.2 動態(tài)特性

如信號 - 噪聲加失真比（S/(N+D)）和 -3 dB全功率帶寬等，反映了轉換器對交流信號的處理能力。在不同輸入頻率下，S/(N+D)表現(xiàn)良好，全功率帶寬可達數(shù)十kHz。

6.3 輸入輸出特性

涉及參考輸入電容、模擬輸入電容、輸入泄漏電流和多路復用器特性等，為電路設計提供了重要參數(shù)。

七、應用信息

7.1 數(shù)字接口

7.1.1 接口概念

上電后，首次通過DI輸入的指令可啟動自校準。自校準完成后，可通過讀取狀態(tài)寄存器確定校準是否結束，之后再啟動轉換。在轉換過程中，不能讀取狀態(tài)，否則會影響轉換結果。

7.1.2 配置更改

轉換器上電默認配置為12位帶符號分辨率、12或13位MSB優(yōu)先、10 CCLK采集時間等。更改采集時間和符號位開關需要發(fā)送8位指令，而選擇多路復用器地址和格式化輸出數(shù)據(jù)的指令會啟動轉換。

7.1.3 CS低電平連續(xù)考慮

當CS持續(xù)為低電平時，必須發(fā)送準確數(shù)量的SCLK脈沖，否則會導致通信失步。恢復同步的最簡單方法是對設備進行電源循環(huán)。

7.1.4 模擬輸入通道選擇

通過DI輸入的數(shù)據(jù)可選擇通道配置，在每次新轉換開始前重新選擇輸入通道。

7.1.5 電源管理

可通過PD引腳或DI輸入指令實現(xiàn)硬件或軟件的電源上下電。在轉換過程中進行電源操作會導致轉換結果出錯。

7.1.6 用戶模式和測試模式

可通過指令將轉換器置于測試模式，此時CH0 - CH7變?yōu)橛性摧敵?。若不慎進入測試模式導致通信失步，可通過電源循環(huán)恢復同步。也可通過發(fā)送特定指令序列將設備返回用戶模式。

7.1.7 無轉換讀取數(shù)據(jù)

將CONV線置高可在不啟動新轉換的情況下讀取特定轉換的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)會保留在輸出寄存器中，直到CS變?yōu)榈碗娖健?/p>

7.1.8 欠壓情況

當電源電壓降至約2.7V以下時，內(nèi)部寄存器可能丟失內(nèi)容。恢復正常工作的可靠方法是將電源電壓降至0.5V以下，然后重新編程并進行校準。

7.2 模擬多路復用器

7.2.1 配置選項

ADC12138的模擬輸入多路復用器可配置為4個差分通道或8個單端通道，或兩者的任意組合。差分配置下，模擬輸入成對分配；單端配置下，COM引腳作為偽地。

7.2.2 偏置電路

針對不同的操作模式，如單端、偽差分和全差分操作，需要不同的偏置電路。單端操作時，符號位始終為低；偽差分操作可采用信號AC耦合或使用參考電壓偏置放大器電路；全差分操作可充分利用轉換器的數(shù)字輸出范圍。

7.3 參考電壓

參考電壓由 $V{REF}^{+}$ 和 $V{REF}^{-}$ 之間的電壓差定義，驅(qū)動這兩個引腳的電壓源必須具有低輸出阻抗和低噪聲。轉換器可用于比例或絕對參考應用，推薦使用一些具有高精度和低溫度系數(shù)的參考電壓源。同時，參考電壓輸入有一定的范圍限制，$V{REF}^{+}$ 不能低于 $V{REF}^{-}$ ，且 $V_{REF}$ 共模范圍也有特定要求。

7.4 模擬輸入電壓范圍

轉換器的全差分ADC生成的二進制補碼輸出可通過特定公式計算。輸入電壓范圍和參考電壓決定了輸出代碼的范圍，通過示例可以更直觀地了解不同輸入和參考電壓組合下的輸出代碼。

7.5 輸入電流與源阻抗

在采集窗口開始時，模擬輸入引腳會有充電電流，其峰值取決于輸入電壓極性、源阻抗和內(nèi)部多路復用器開關導通電阻。對于低阻抗電壓源，在采樣保持（S/H）的采集時間內(nèi)，輸入充電電流會衰減到不會引入轉換誤差的水平；對于高源阻抗，可增加S/H的采集時間?？赏ㄟ^特定公式計算不同分辨率下所需的采集時間時鐘周期數(shù)。

7.6 輸入旁路電容與噪聲

在模擬輸入引腳和模擬地之間連接外部電容（0.01 μF - 0.1 μF）可過濾因長輸入引線產(chǎn)生的感應噪聲，且不會降低轉換精度。同時，應盡量縮短模擬多路復用器輸入引腳的引線長度，以減少輸入噪聲和時鐘頻率耦合。

7.7 電源與接地

電源線上的噪聲尖峰可能導致轉換誤差，尤其是在自動歸零或線性校正期間。推薦使用低電感鉭電容（10 μF或更大）與0.1 μF單片陶瓷電容并聯(lián)作為最小電源旁路電容，并為 $V{A}^{+}$ 和 $V{D}^{+}$ 分別使用旁路電容，且盡量靠近引腳放置。此外，通過合理的接地技術，如使用單獨的模擬和數(shù)字區(qū)域，可最大化轉換器的性能。

7.8 時鐘信號隔離

為優(yōu)化轉換器性能，應將模擬輸入/輸出和參考信號導體與CCLK和SCLK引腳的時鐘信號導體盡量分開，建議保持至少7到10倍時鐘走線高度的間距。

7.9 校準與自動歸零

上電后，待電源、參考和時鐘穩(wěn)定后，需要啟動校準周期，以確定采樣數(shù)據(jù)比較器的偏移電壓、線性度和增益誤差的校正值，并將這些值存儲在內(nèi)部RAM中。在環(huán)境溫度或電源電壓變化較大時，可使用自動歸零周期來校正零位誤差。

7.10 動態(tài)性能

對于需要對交流信號進行數(shù)字化的應用，動態(tài)性能指標如信號 - 噪聲比（S/N）、信號 - 噪聲加失真比（S/(N+D)）、有效位數(shù)、全功率帶寬、孔徑時間和孔徑抖動等非常重要。可使用快速傅里葉變換（FFT）方法測量ADC的交流性能，根據(jù)不同頻率下的S/(N+D)曲線可評估轉換器的動態(tài)特性。

7.11 RS232串行接口

提供了一個與IBM及兼容PC的RS232接口原理圖，通過電平轉換器將RS232信號連接到轉換器的DI、SCLK和DO引腳，并使用D觸發(fā)器生成 $overline{CS}$ 信號。同時，還給出了一個用Microsoft QuickBasic編寫的示例程序，用于向轉換器發(fā)送數(shù)據(jù)模式選擇指令。

八、總結

ADC12130、ADC12132和ADC12138系列A/D轉換器以其高精度、靈活性和低功耗等優(yōu)點，為電子工程師提供了一個強大的模擬信號數(shù)字化解決方案。在設計過程中，需要充分考慮其電氣特性、引腳功能和應用要點，合理配置參數(shù)，優(yōu)化電路設計，以確保轉換器在各種應用場景中都能發(fā)揮最佳性能。希望本文能為大家在使用該系列轉換器時提供有益的參考，你在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。